เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลต์ใหม่จาก CUHK แก้ปัญหาด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

จากแบตเตอรี่ที่ชาร์จได้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพาไปจนถึงแหล่งพลังงานสำหรับจักรยานไฟฟ้าและยานพลังงานใหม่ อุบัติเหตุด้านความปลอดภัยที่เกิดจากไฟไหม้และการระเบิดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้กลายเป็นจุดสนใจที่เพิ่มขึ้นของความสนใจทั่วโลก ตามรายงานของ CNN เมื่อวันที่ 22 เทคโนโลยีใหม่ที่พัฒนาขึ้นโดยทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยจีนแห่งฮ่องกง (CUHK) สามารถลดความเสี่ยงของการระเบิดและไฟไหม้ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างมีนัยสำคัญ และเทคโนโลยีนี้คาดว่าจะถูกนำไปใช้เชิงพาณิชย์ภายใน 3 ถึง 5 ปีข้างหน้า

รายงานชี้ให้เห็นว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ต่างๆ ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงยานยนต์พลังงานใหม่ นักวิจัยระบุว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความปลอดภัยดีในสถานการณ์การใช้งานปกติ แต่การใช้งานที่ไม่เหมาะสมอาจนำไปสู่ความเสี่ยงจากไฟไหม้และแม้กระทั่งผลที่ร้ายแรงในกรณีสุดโต่ง สาเหตุคืออิเล็กโทรไลต์ที่เติมอยู่ภายในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความไวไฟ เมื่อถูกเจาะทางกายภาพ การชาร์จเกิน อุณหภูมิและความชื้นที่รุนแรง หรือข้อบกพร่องในกระบวนการผลิต แบตเตอรี่จะสูญเสียความเสถียรภาพอย่างค่อยเป็นค่อยไป เมื่อเกิดความผิดปกติขึ้น อุณหภูมิของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและจุดไฟอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่อันตรายที่เรียกว่า "thermal runaway" ข้อมูลสถิติที่เกี่ยวข้องแสดงให้เห็นว่าในปี 2024 เพียงปีเดียว มีการบันทึกเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ที่มีควัน ไฟไหม้ หรือความผิดปกติที่อุณหภูมิสูงถึง 89 เหตุการณ์ในภาคการขนส่งทางอากาศพลเรือนทั่วโลก; ในชีวิตประจำวัน อุบัติเหตุไฟไหม้แบตเตอรี่ของจักรยานไฟฟ้า สกู๊ตเตอร์ไฟฟ้า และอุปกรณ์อื่นๆ ก็ไม่ใช่เรื่องแปลก.

เพื่อแก้ไขจุดเจ็บปวดด้านความปลอดภัยนี้ ชุมชนการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ระดับโลกได้ดำเนินการวิจัยทางเทคโนโลยีอย่างกระตือรือร้น เช่น การพัฒนาอิเล็กโทรไลต์แข็งหรือเจลที่ทนต่ออุณหภูมิสูงเพื่อแทนที่อิเล็กโทรไลต์ของเหลวแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม โซลูชันดังกล่าวต้องการการปรับเปลี่ยนขนาดใหญ่ในสายการผลิตแบตเตอรี่ที่มีอยู่ ซึ่งทำให้เกณฑ์การผลิตในอุตสาหกรรมสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญและจำกัดความเร็วในการเผยแพร่เทคโนโลยี ในทางตรงกันข้าม แผนการปรับแต่งแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนใหม่ที่เสนอโดยทีม CUHK เพียงแค่ต้องเปลี่ยนส่วนประกอบทางเคมีในอิเล็กโทรไลต์ที่มีอยู่โดยไม่เปลี่ยนแปลงลิงก์หลักของกระบวนการผลิต

นักวิจัยจากทีมงานได้อธิบายว่า สาเหตุหลักของการเกิดไฟไหม้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ภายใต้ความดันสูง ซึ่งปล่อยความร้อนจำนวนมากและกระตุ้นปฏิกิริยาลูกโซ่ อิเล็กโทรไลต์ที่พัฒนาขึ้นใหม่ใช้ระบบตัวทำละลายแบบไบนารี ซึ่งสามารถป้องกันกระบวนการปฏิกิริยาที่อันตรายนี้ได้อย่างแม่นยำ ภายใต้สภาวะอุณหภูมิปกติ ตัวทำละลายตัวแรกสามารถรักษาความแน่นของโครงสร้างทางเคมีภายในของแบตเตอรี่ได้ ทำให้มั่นใจได้ถึงการส่งออกประสิทธิภาพปกติของแบตเตอรี่; เมื่ออุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงขึ้นอย่างผิดปกติ ตัวทำละลายตัวที่สองจะเปิดใช้งานกลไกการป้องกันอย่างรวดเร็ว ป้องกันความเสี่ยงจากไฟไหม้จากแหล่งที่มาโดยการคลายโครงสร้างทางเคมีและชะลอปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการหลบหนีความร้อน

CNN อ้างข้อมูลการทดสอบในห้องปฏิบัติการที่แสดงให้เห็นว่าหลังจากที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้เทคโนโลยีใหม่นี้ถูกเจาะด้วยตะปู อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นเพียง 3.5 องศาเซลเซียส; ในทางตรงกันข้าม อุณหภูมิของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมพุ่งขึ้นถึง 555 องศาเซลเซียสภายใต้เงื่อนไขการทดสอบเดียวกัน นักวิจัยเน้นย้ำว่าแผนทางเทคนิคนี้จะไม่มีผลกระทบเชิงลบต่อประสิทธิภาพหลักและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ การทดสอบแสดงให้เห็นว่าหลังจากการชาร์จ-ปล่อยประจุ 1000 รอบ ความจุของแบตเตอรี่ยังคงสามารถรักษามากกว่า 80% ของค่าเริ่มต้นได้อย่างเต็มที่ ตรงตามความต้องการของการใช้งานเชิงพาณิชย์

ควรสังเกตว่าด้วยเทคโนโลยีนี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงส่วนประกอบอิเล็กโทรไลต์โดยไม่จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนสายการผลิตที่มีอยู่ จึงมีเงื่อนไขพื้นฐานสำหรับการอุตสาหกรรมอย่างรวดเร็ว คาดว่าหลังจากการผลิตในขนาดใหญ่ ต้นทุนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้เทคโนโลยีนี้จะมีค่าใช้จ่ายพื้นฐานเท่ากับผลิตภัณฑ์หลักในปัจจุบัน ขณะนี้เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องได้เข้าสู่ขั้นตอนการพาณิชย์แล้ว ดอนัลด์ ฟินนีแกน นักวิทยาศาสตร์อาวุโสที่ห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติสหรัฐอเมริกา แสดงความคิดเห็นว่า "การพัฒนาเทคโนโลยีนี้น่าตื่นเต้น หมายความว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในอนาคตจะสามารถทนต่อสภาพการทำงานที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูงและการลัดวงจร ซึ่งจะหลีกเลี่ยงความเสี่ยงจากไฟไหม้ได้อย่างพื้นฐาน"